Politeknik Dergisi
Cilt: 4 Özel Sayı 53-57, 2002
Vol: 4
Journal of Polytechnic
Special Issue pp. 53-57, 2002
BİLYALI FİLTRELERLE YAPILAN METAL FİLTRASYONU İŞLEMİNİN KGDD’LERİN
MİKROYAPI VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ
Ferhat GÜL, Hasan HASIRCI, Neşet AKAR, Necati YALÇIN
Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümü
06500 Teknikokullar, ANKARA
ÖZET
Sıvı metalin temizlenmesi için bir çok yöntem kullanılmaktadır. KGDD’de kirliliklerin bulunması mekanik özellikleri
ciddi şekilde azaltabilmektedir. KGDD’den filtrasyon yoluyla inklüzyonların giderilmesi gelişmiş mekanik özellikler
sağlamaktadır. Filtrasyon için birçok farklı tip filtreler bulunmaktadır. Bu çalışmada filtrasyon işleminde seramik bilyalı filtre
kullanılmıştır. Bilyalı filtre KGDD dökümlerde inklüzyon gidermede yüksek performansa sahiptir. Gözlemlere göre; bilyalı filtre
kullanımı ile çekme mukavemeti artarken darbe dayanımı azalmıştır.
Anahtar kelimeler: Küresel grafitli dökme demir, filtrasyon, mikro yapı, mekanik özellikler
EFFECT OF METAL FILTRATION BY BALL-FILTER ON MICROSTRUCTURE AND
MECHANICAL PROPERTIES OF DUCTILE IRONS
ABSTRACT
Many methods of purifying the melt has been used. The presence of dross in ductile iron can seriously decrease the
mechanical properties. Inclusion removal from ductile iron by filtration results in developed mechanical properties. Many
different type filters are available for the filtration. In this study, ceramic ball-filter was used in filtration process. Ball-filter has
high performance on inclusion removal in ductile iron castings. According to observations, by using ball-filter impact strength
was decreased while tensile strength was increased.
Keywords: Ductile Iron, filtration, microstructure, mechanical properties
artırdığından dolayı etkili yöntem olan filtrasyon
işlemi kullanılmaktadır (1,6,9).
GİRİŞ
Mühendislik malzemelerinde üretimin kaçınılmaz bir sonucu olan kirliliklerin, mikroyapı ,
mekanik özellikler ve kullanım ömrü bakımından
olumsuz etkisi olduğu bilinmektedir (1,2). Bu kirlilikleri genellikle cüruf, oksit ve inklüzyonların
oluşturduğu söylenebilir (1,3). İnklüzyonlar genellikle fırın kirliliği, tuzlar, oksitler ve ergimiş elementlerden oluşurlar (1-6). Dökümden önce sıvı
içerisinde bulunan kirlilikler üretimin kaçınılmaz
bir sonucudur. Katı inklüzyonlar, refrakter
malzeme, tane inceltici ve aşılayıcılar meydana
getirir. Sıvı inklüzyonlar, filtreden geçebilen
küresel şekle sahip ve şekil değiştirebilen
kirliliklerdir. Flakslar ve tuzlar ise gaz giderme ve
koruyucu gibi sıvı işlemlerinin sonucunda oluşan
atıklardır (1,2,3,5).
Bu güne kadar sıvı metalin temizlenmesinde
daha önce de ifade edildiği gibi birçok yöntem uygulanmakta olup filtrasyon en son uygulanan ve en
etkili yöntem olarak ortaya çıkmaktadır (1,3,5,7,9).
KGDD’lerin üretiminde cüruf, magnezyum
ve silisyumun magnezya (MgO) ve silisyumdioksit
(SiO2) şeklinde oksitlenmesiyle meydana gelir. Bu
oksitlenme miktarı küreselleştirme yöntemiyle
değişebilmektedir (1,9).
KGDD’de kirliliklerin bulunması süneklik,
tokluk, çekme, yorulma dayanımı ve korozyon direncini önemli oranda azaltmaktadır (1,9,10).
İnkizyonlar gerinim altında yorulma çatlak başlangıcını oluştururlar. Buna ilave olarak döküm parça
içerisinde dağılmış kirlilikler parçanın işlenebilme
kabiliyetini azaltır. Bu durum KGDD parçalarında
erken yorulma meydana getirir (1,2,10). Kirliliklerin bu istenmeyen etkilerini yok etmek için
filtrelerin
kullanılması
ile
sıvı
metalin
temizlenmesi en uygun yol olmaktadır (1,2,5,7).
Seramik filtrelerin kullanımından önce
demir ve demir dışı alaşımlarda kirliliklerin
giderilmesi için özgül ağırlık prensibine dayanan
değişik yolluk sistemleri kullanılmıştır. Yolluk
metodunun maliyeti yüksek olmakla birlikte yeterli
temizleme sağlamadığı bilinmektedir (1,3,5,7,8).
KGD de sıvı temizleme işlemleri, maliyeti
53
Ferhat GÜL, Hasan HASIRCI , Neşen AKAR, Necati YALÇIN /POLİTEKNİK DERGİSİ,CİLT 4, ÖZEL SAYI, 2002
Bu amaçla çeşitli tip ve özellikte filtreler
kullanılmakdır. Bu çalışmada bilyalı tip filtre
kullanımının KGDD’in mikroyapı ve mekanik
özellikleri üzerine etkilerinin tespiti amaçlanmıştır.
DENEYSEL ÇALIŞMALAR
Tablo 1’de bileşimi verilen KGDD malzeme
filtre kullanılarak ve kullanılmadan döküm yoluyla
elde edilmiştir. Ergitme işlemi için Inductotherm
ergitme tipi orta frekanslı indiksiyon ocağı
kullanlmıştır. Küreleştirme işlemi %5 Mg içeren
FeSiMg malzeme ilavesiyle Tundish tipi işlem potasında yapılmıştır. Aşılama işlemi standart FeSi
aşılama malzemesi ile döküm potasında ilave
edilerek
gerçekleştirilmiştir.
Sıvı
metal,
küreleştirme ve aşılama işlemlerinden sonra TS526’da belirtilen standarda uygun olarak
hazırlanmış (Şekil 1) Y-blok yaş kum kalıplara
dökülmüştür. Filtre uygulamasında kullanılan
yolluk sistemi ve kullanılan filtre şematik olarak
Şekil 2’de görülmektedir.
Tablo 1: KGDD malzemenin bileşimi
%C
3,5
%Si
2,6
%Mn
0,7
%S
0,02
a) Yolluk Sistemi
Hazne
Seramik Bilya
Filtre Haznesi
Hazne
b) Bilyalı filtre
Şekil 2: Sıvı metal filtrasyonu için kullanılan
yolluk sistemi ve bilyalı filtre
%P
0,02
Şekil 1’de gösterilmiş olan Y-Bloklardan
ASTM-A327-72 standardına uygun olarak darbe
ve çekme deney numuneleri hazırlanmıştır.
Mikroyapı incelemeleri için Y-bloklardan alınan
numunelerin metalografik incelemeleri optik
mikroskopta yapılmıştır. Çekme testi için TSE
138’e göre hazırlanan 13.82 mm çapa ve 69 mm
ilk ölçü uzunluğuna sahip silindirik numuneler 2
mm/dk. çene hızında çekilmiştir. Her döküm
numune için 3 ayrı çekme testi uygulanmıştır.
SONUÇLAR VE TARTIŞMA
1) Bilyalı filitrasyonun mikroyapı üzerine
etkileri
Şekil 1:Y-blok dökümün şematik çizimi ve
mekanik test numunelerinin alındığı
yerlerin göste-rimi
Filtrasyon işlemi için, şematik olarak Şekil
2’de verilen 70 x 50 x 20 mm dış boyutlara, 60 x
40 x11 mm hazne iç boyutlarına sahip ve içerisinde ortalama 3 mm çapında seramik bilyalar ve
geniş yüzeyi üzerinde 2.5 mm çapında delikler bulunan bilyalı filtre kullanılmıştır. Yaklaşık olarak
570-595 adet bilya filtre haznesine döküm
sırasında bilya hareketi oluşturmayacak şekilde
doldurulmuştur. TSE 2308’e göre hazırlanan kum
kalıplarda filtrenin giriş ve çıkışında uygun
genişletmeler
yapılarak
metal
akışını
sınırlamayacak yolluk sistemi uygulanmıştır.
Şekil 3’te filtre edilmiş ve filtre edilmemiş
malzemelerin mikroyapıları görülmektedir. Tablo
2’de ise faz hacim oranları ve küre sayısı ile ilgili
sonuçlar verilmiştir. Şekil 3 ve Tablo 2‘de filtre
edilmiş ve edilmemiş dökümler arasında küre
sayısı ve dağılımı açısından önemli oranda
farkların olduğu görülmektedir. Filtre edilmemiş
malzemede küre sayısı ortalama 48 küre/mm2
olarak elde edilmesine rağmen, bilyalı filtre ile
işlem yapılmış malzemede ortalama küre sayısının
67 küre/mm2 olduğu tespit edilmiştir
54
BİLYALI FİLTRELERLE YAPILAN METAL FİLTRA... / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 4, ÖZEL SAYI , 2002
Tablo 2: Filtre edilmiş ve edilmemiş numunelerin
faz hacim oranları ve küre sayıları
Faz Hacim
Oranları
Numune adı
Fitre edilmiş
numune
Fitre edilmemiş
numune
%
ferrit
%
perlit
%
grafit
Küre sayısı
(küre/mm2)
19.5
67
13.5
67
24.7
63.53
11.75
48
Küre sayısı, boyutu ve dağılımına birçok
faktör etki etmektedir. Bunlar genel olarak yapılan
küreleştirme ve aşılama yöntemi, kullanılan malzemeler, döküm süresi, döküm sıcaklığı, soğuma hızı
ve parça kesit kalınlığı olarak sıralanabilir. Bu çalışmada bahsedilen faktörlerin hepsi filtre edilmiş
ve edilmemiş malzemelerin her ikisinde de aynı
tutulmaya çalışılmıştır. Ancak burada filtre edilmiş
malzemede daha farklı faktörlerin de etkili
olabileceği
küre
sayılarındaki
farktan
anlaşılmaktadır. Bunlar; döküş hızı, filtre
gözenekliliği, filtre alanı, filtre malzemesi ve tipi
olarak sıralanabilir (11,12). Bu çalışma diğer
şartlar dışında küre sayısındaki değişimde en
önemli faktörün filtre malzemesi ve filtrenin
etkisiyle soğuma hızınında meydana gelebileceği
düşünülen değişimin bu farklılığa sebep
olabileceği düşünülmektedir.
A) Filtre edilmemiş (dağlamasız x50)
B) Filtre edilmiş (dağlamasız x50)
Matris yapı bileşenleri incelendiğinde (Şekil
3 ve Tablo 2) filtre edilmemiş malzemeye göre
filtre edilmiş malzemenin küre sayısının artmasıyla
perlit miktarının attığı görülmektedir. Normal
şartlarda küre sayısının artmasıyla, ferrit miktarının
artması gerekirken (11-14), bu çalışmada ferrit
miktarı azalmıştır. Perlit çekirdeklenme teorisine
göre, alt soğuma miktarı arttıkça perlit miktarı
artmaktadır (15). Filtre edilmiş malzemede
kullanılan filtrenin alt soğuma miktarını arttırarak
perlit miktarını arttırdığı düşünülmektedir.
C) Filtre edilmemiş (%2 nital dağlama x50)
2) Bilyalı filtrasyonun mekanik özellikler
üzerine etkileri
Tablo 3’te filtre edilmiş ve filtre edilmemiş
malzemelerin mekanik özellikleri ile küre sayıları
arasındaki ilişkileri gösterilmektedir.
Tablo 3: Filtre edilmiş ve filtre edilmemiş malzemelerin mekanik özellikleri ile küre
sayıları arasındaki ilişki
Mekanik
özellikler
Numune adı
Fitre edilmiş
numune
Fitre edilmemiş numune
D) Filtre edilmiş (%2 nital dağlama x50)
Şekil 3: Filtre edilmiş ve edilmemiş numunelerin
mikroyapı görüntüleri
55
Çekme
Dayanımı
(Mpa)
Darbe
Dayannımı
(Joule)
Küre sayısı
(küre/mm2)
711,7
55
67
657,5
61
48
Ferhat GÜL, Hasan HASIRCI , Neşen AKAR, Necati YALÇIN /POLİTEKNİK DERGİSİ,CİLT 4, ÖZEL SAYI, 2002
Tablo 3’ten de görüleceği üzere filtre edilmemiş numunede önceki kısımda ifade edilmiş
olan nedenlerden dolayı küre sayısında artış
meydana gelmiştir. Bunun yanında filtre edilmiş
numunede filtre edilmemiş numuneye göre çekme
dayanımında % 8.3 artış, darbe dayanımında %
8.2 azalma olmuştur.
Physics, , New York, GM Symposia Series,
1988, 467-493.
3. Shivkumar, S., Wang, L., and Apelian , D.,
“Molten Metal Processing of Advanced Cast
Aluminum Alloys” Journal of Metals, 26-32,
1991.
4. Flexsil Refractory Cloth Filters, Low cost,
high efficiency filtration for metals, Product
Cataloge.
Ancak küre sayısındaki artış ile birlikte kırılma mekanizmasına bağlı olarak darbe dayanımı
azalmaktadır. Çünkü kırılma sırasında çatlak başlangıcı ve ilerlemesinin grafit küresi ile matris
arayüzeyinin daha az dayanıma sahip olması nedeniyle arayüzeyleri takip ettiği belirtilmektedir. Bu
nedenle darbe dayanımı küre sayısındaki artışa bağlı olarak azalmaktadır (14,16). Çekme dayanımındaki artışın nedeninin ise malzeme yapısındaki
yapı bileşenlerinden kaynaklanmaktadır. Filtre
edilmiş numunede perlit miktarının artmasıyla
birlikte çekme dayanımı artmıştır (Tablo 3). Diğer
taraftan kullanılan malzemenin Mn miktarı
numune kesitine göre bir miktar yüksektir. Bu kesit
kalınlığı ve karbon eşdeğerliği için yaklaşık olarak
% 0.5 Mn önerilmektedir (17). Yüksek Mn
içeriğinden (%0,7) dolayı, filtre edilmiş numunede
meydana gelen hızlı soğuma neticesinde karbür
oluşum eğiliminin artabileceği ve bu şekilde darbe
dayanımında kirliliklerin giderilmiş olmasına
rağmen beklenen yüksek gelişmenin sağlanamadığı
düşünülmektedir.
5. Suschil, A.L., Plutshack L.A., “Gating
Design”, Metals Handbook Casting Section,
15, 589-597, 1994
6. Hearn, M., Williams, B., Tackaberry, T., “Use
of Extruded Cellular Ceramic Filters to Reduce
Inclusion Defects in Ductile Iron Crankshafts”,
AFS Transactions, 94-78, 81-85, 1994.
7. Morris, J., Sahu , S., Sievers, U.S., “Advanced
Reticulated Ceramic Metal Filters and
Performance Results from Select Steel
Foundries”, AFS Tran., 671-675, 1990.
8. Gül,F., Akar, N. ve Yalçın, N., “Döküm
Parçalarda İnklüzyonların Giderilmesinde
Bilyalı Filtrelerin Etkisi”, 10. Uluslararası
Metalurji ve Malzeme Kongresi bildiriler
kitabı, Cilt I, 419-426, 2000.
9. Nikolai, M.F., “Effect of Metal Filtration on
ASTM Test Bars”, AFS Transactions, 96-145,
1017-1029, 1996.
SONUÇLAR
10. Hofmann Seramik Filtre kataloğu.
1. Bilyalı filtre kullanımı ile KGDD’de
kirliliklerin giderilmesi sağlanmıştır.
11. Venugopalan, D., “Modelling of ferrit
formation in Ductile Iron”, AFS Transactions,
89-43, 271-276, 1989.
2. Bilyalı filtre kullanımı küre sayısında artışa neden olmuştur.
12. Doubrava, J.H. and Carter, Jr. S.F., Wallace,
J.F., “ The Influence of Processing Variables
on the Matrix Structure and Nodularity of
Ductile Iron”, AFS Transactions, 81-48, 229250, 1981.
3. Bilyalı filtre ile filtre edilmiş KGDD’de perlit
miktarında artış meydana gelmiştir.
4. Perlit miktarın artmasıyla birlikte çekme
dayanımında artış, darbe dayanımında azalma
meydana gelmiştir.
13. Guo, X. and Stefanescu, D.M., “ Solid Phase
Transformation in Ductile Iron”, AFS
Transactions, 97-81, 533-543, 1997.
KAYNAKLAR
1. Khan, P.R., Su, W.M., Kim, H.S., Kang, J.W.,
Wallace, J.F., “Flow of Ductile Iron Through
Ceramic Filters and the Effects on Dross and
Fatique Properties”, AFS Transactions, 87172, 105-116, 1987.
14. Hasırcı, H. ve Erdoğan, M., “Alaşım
Elementleri Tür (Cu,Ni) ve Miktarlarının
Küresel Grafitli Dökme Demirlerde Mikroyapı
ve Mekanik Özellikler Üzerine Etkileri” 10.
Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi
Bildiriler Kitabı, Cilt I, 393-402, 2000.
2. Apelian, D., Choi K.K., “ Metal Refining by
Filtration” Ed. By Katz, S. And Landafeld, F.,
Foundry Processes Their Chemistry and
56
BİLYALI FİLTRELERLE YAPILAN METAL FİLTRA... / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 4, ÖZEL SAYI , 2002
15. Callıster, W.D.Jr., Materials Scıence and
Engineering an Introduction, Jhon Wıley and
Sons Inc, New York, 1994.
Mechanical Properties of Commercial Ductile
Iron ” AFS Transactions, 90-120, 39-40, 1990.
17. Karsay, S.I., Ductile Iron-I Production, Qıt-Fer
Et Tıtane Inc., Canada, 42-50, 1985
16. Venugopalan, D. and Alagarsamy, A., “Effect
of Alloying Additions on Microstructure and
57
Download

53 bilyalı filtrelerle yapılan metal filtrasyonu